DE4015267C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Öl­ flusses zwischen zwei Steuerkammern eines Kolbens mit verän­ derlicher Kompressionshöhe nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Kolben veränderlicher Kompressionshöhe sind bekannt und z. B. in der DE-PS 38 07 244 beschrieben. Derartige Kolben weisen ein mit der Kurbelwelle formschlüssig verbundenes Innenkolbenteil und ein mit diesem über ein Hydrauliksystem kraftschlüssig ver­ bundenes, am Innenkolbenteil verschiebbar angeordnetes, Außen­ kolbenteil auf. Zwischen Innenkolbenteil und Außenkolbenteil sind zwei durch Ölbohrungen verbundene Steuerkammern angeord­ net, deren Volumina reziprok zueinander veränderbar sind.

Während der Gaswechselphase zieht die Trägheitskraft am Außen­ kolbenteil, wodurch in der unteren Steuerkammer ein Druckan­ stieg hervorgerufen wird. Dadurch strömt über eine Drossel Öl von der unteren in die obere Steuerkammer. Zusätzlich bewirkt die Volumenvergrößerung der oberen Steuerkammer einen Ölfluß vom Kolbenbolzen über ein Rückschlagventil in diese Steuerkam­ mer. Die Folge ist eine Vergrößerung der Kompressionshöhe des Kolbens.

Nach erfolgter Gemischzündung im Brennraum und damit anstei­ gendem Gasdruck wird dieser Gasdruck auf die obere Steuerkammer übertragen und gibt Öl über ein Druckbegrenzungsventil gesteu­ ert in das Kurbelgehäuse ab. Gleichzeitig fließt Öl von der oberen Steuerkammer über eine Drossel sowie über ein Rückschlag­ ventil in die untere Steuerkammer. Auf diese Weise wird das Volumen der oberen Steuerkammer und damit die Kompressionshöhe verringert.

Zur Verringerung der Kompressionshöhe muß also der Ölstrom mög­ lichst ungehindert von der oberen Steuerkammer in die untere Steuerkammer gelangen können, das heißt also ein großer Zuström­ querschnitt zur Verfügung stehen, während zur Vergrößerung der Kompressionshöhe das Rückschlagventil schließt und das Öl nur noch über die Drossel aus der unteren Steuerkammer in die obere Steuerkammer abströmen kann. Zur Erreichung dieses Strömungsver­ haltens sind aber gemäß der DE-PS 38 07 244 zwei verschiedene Steuereinrichtungen, nämlich eine Drossel einerseits und ein Rückschlagventil andererseits, nötig, wodurch der Bauaufwand des Kolbens erheblich gesteigert wird und Störungen durch Ver­ schmutzung und Beschädigung der empfindlichen Bauelemente, wie das Rückschlagventil, in Kauf genommen werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kolben der gattungs­ gemäßen Art derart zu verbessern, daß bei gleichem Strömungs­ verhalten des Ölflusses zwischen den Steuerkammern ein einfa­ cher und unempfindlicher Aufbau der Steuereinrichtungen für diesen Ölfluß ermöglicht ist. Insbesondere soll versucht wer­ den, die Anzahl der beweglichen Bauteile der Steuereinrichtun­ gen zu verringern bzw. diese ganz zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Im Innenkolbenteil eines Kolbens der oben beschriebenen Art ist im Verlauf der Ölbohrung zwischen oberer und unterer Steuer­ kammer eine kammerförmige Steuereinrichtung eingesetzt. Die als hohle Ventilkammer ausgebildete Steuereinrichtung weist je eine zur oberen bzw. unteren Steuerkammer führende Ölbohrung auf. Der Ölstrom durch diese Bohrungen wird dabei durch die Lage und Ausgestaltung der Bohrungen derart beeinflußt, daß beim Ölfluß von der unteren in die obere Steuerkammer ein hoher Druckver­ lust, entsprechend einer starken Drosselung, beim Ölfluß in umgekehrter Richtung jedoch ein geringer Druckverlust auftritt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben mit Ventilkammer im Längsschnitt,

Fig. 2 a, b vergrößert eine Ventilkammer mit den Ölströmen,

Fig. 3 a-d eine andere Ausführungsform der Ventilkammer mit den Ölströmen,

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung der Ventilkammer.

Ein in der Fig. 1 mit 1 bezeichneter Kolben mit veränderlicher Kompressionshöhe umfaßt ein Außenkolbenteil 2 und ein Innen­ kolbenteil 3. Das Außenkolbenteil 2 besteht aus dem Kolbenhemd und dem Kolbenboden 4 und ist in Achsrichtung des Kolbens 1 am Innenkolbenteil 3 verschiebbar gehalten. Im Innenkolbenteil 3 ist ein hohler Kolbenbolzen 6 eingesetzt, an dem eine in dieser Figur nicht dargestellte Pleuelstange mit ihrem kleinen Pleuel­ auge in üblicher Weise angelenkt ist. Eine Ventilplatte 9 ist am Innenkolben fest angebracht. Mit dem Außenkolben ist eine als Anschlagring dienende am Innenkolben gleitende Dichtung 5 fest verbunden.

Zwischen dem Außenkolbenteil 2 und dem Innenkolbenteil 3 ist eine erste, obere Steuerkammer 7 eingeschlossen, die mit einer zweiten, unteren Steuerkammer 8 über eine in der Ventilträger­ platte 9 angeordnete Ölbohrung, in welche eine Ventilkammer 10 eingesetzt ist, in Verbindung steht.

Beide Steuerkammern 7 und 8 sind mit Öl aus dem Schmierölkreis­ lauf der Brennkraftmaschine gefüllt. Die Kompressionshöhenände­ rung wird durch die auf das Außenkolbenteil 2 wirkende Kraft resultierend aus Gaskraft, Massenkraft und Reibungskräften - hervorgerufen, indem Öl von einer Steuerkammer zur anderen ver­ drängt wird. Bei der Verkleinerung der Kompressionshöhe wird Öl von der oberen Steuerkammer 7 über eine gestrichelt dargestell­ te Ölbohrung 11 und ein Druckbegrenzungsventil 12 in das Kurbel­ gehäuse der Brennkraftmaschine abgesteuert. Das sich bei diesem Vorgang vergrößernde Volumen der unteren Steuerkammer 8 wird dabei aus der oberen Steuerkammer 7 über die in der Ventilträ­ gerplatte 9 eingesetzte Ventilkammer 10 weitgehend ungehindert mit Öl aufgefüllt.

Bei der Vergrößerung der Kompressionshöhe wird Öl von der un­ teren Steuerkammer 8 ebenfalls über die Ventilkammer 10, die in diesem Fall als Drossel wirkt, in die obere Steuerkammer 7 ge­ drückt. Zur Ölversorgung dieser oberen Steuerkammer 7 befindet sich im Innenkolbenteil 3 bzw. in der Ventilträgerplatte 9 eine Zulaufbohrung 13, die hier gestrichelt dargestellt ist, und in deren Verlauf ein den Abfluß von Öl aus der oberen Steuerkammer 7 sperrendes Rückschlagventil 14 eingesetzt ist. Der Zufluß von Öl aus dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine kann dabei in hier nicht dargestellter Weise über den hohlen Pleuel er­ folgen. Von hier gelangt das Öl über eine Bohrung 15 in den als Vorratsraum dienenden Innenraum 16 des hohlgebohrten Kolben­ pleuels 6, aus dem in der Hochregelphase Öl kontinuierlich über eine weitere Bohrung 17 im Kolbenbolzen 6 und eine nicht sicht­ bare Ringnut entnommen und über die Zulaufbohrung 13 sowie das Ventil 14 der oberen Steuerkammer zugeführt werden kann.

Fig. 2 stellt in vergrößerter Form die in Fig. 1 gezeigte Ventilkammer 10 sowie teilweise die diese umgebenden aus Fig. 1 bekannten Bauteile dar. In der Figur ist zusätzlich der Öl­ fluß durch die Ventilkammer 10 zwischen den beiden Steuerkam­ mern 7 bzw. 8 eingezeichnet, und zwar in Fig. 2a der Ölfluß von der oberen Steuerkammer 7 in die untere Steuerkammer 8 und in Fig. 2b der Ölfluß in umgekehrter Richtung. Die Ventilkam­ mer 10 ist in die am Innenkolbenteil 3 befestigte Ventilträger­ platte 9 eingesetzt. Ihr Innenraum 18 ist durch jeweils minde­ stens eine Drosselbohrung 19 bzw. 20 mit der ersten Steuerkam­ mer 7 bzw. der zweiten Steuerkammer 8 zur Ermöglichung des ge­ steuerten Übertritts von Öl zwischen diesen beiden Steuerkam­ mern verbunden.

In Fig. 2a ist mit dem Pfeil 21 der Ölfluß von den oberen Steu­ erkammer 7 in die untere Steuerkammer 8 gekennzeichnet. Das Öl gelangt aus der oberen Steuerkammer 7 über die Drosselbohrung 19 in den Innenraum 18 der Ventilkammer 10 und von dort durch die Drosselbohrung 20 in die untere Steuerkammer 8. Der Ölfluß in dieser Richtung erfolgt im wesentlichen ungehindert und ohne besondere Verluste, so daß eine schnelle Befüllung der unteren Steuerkammer 8 ermöglicht ist.

Fig. 2b, bei der gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt mit dem Pfeil 22 den Ölfluß in umgekehrter Richtung, das heißt von der unteren Steuerkammer 8 in die obere Steuerkammer 7. Wie oben ausgeführt soll der Ölfluß in dieser Richtung gedrosselt erfolgen. Wie aus der Figur zu entnehmen ist, erfolgt durch die Einleitung des Ölstromes durch die Dros­ selbohrung 20 in den Innenraum 18 eine Behinderung des durch die Drosselbohrung 19 in die obere Steuerkammer 7 abfließenden Öls. Die tangentiale Einleitung des Ölstromes 22 durch die Dros­ selbohrung 20 in den Innenraum 18 der Kammer erzeugt dort einen Wirbel, der erstens, aufgrund der Zähigkeit des Öls, einen er­ heblichen Teil der Strömungsenergie dissipiert und zweitens eine Einschnürung des Querschnitts für den durch die Bohrung 19 abfließenden Ölstrom zur Folge hat. Dadurch wird der gewünschte Drosseleffekt für den Ölstrom von der unteren (8) in die obere (7) Steuerkammer erzielt.

Voraussetzung für die in der Fig. 2 dargestellte Steuerung des Ölstromes zwischen den beiden Steuerkammern 7 bzw. 8 ist, daß die Drosselbohrungen 19 und 20 in etwa in einem rechten Winkel zueinander verlaufen, die Drosselbohrung 19 zur oberen Steuer­ kammer 7 ungefähr zentral in der den Innenraum 18 gegenüber der oberen Steuerkammer 7 abschließenden Wandung angeordnet ist und die Drosselbohrung 20 tangential in die Peripherie des Innen­ raumes endet, wobei auch mehrere Drosselbohrungen 20 vorgesehen sein können, die dann allerdings so angeordnet sein müssen, daß sie einen gleichsinnig drehenden Wirbel erzeugen. Besonders vorteilhaft ist das Einströmen von Öl aus der unteren Steuer­ kammer 8 über die Drosselbohrung 20 in den Innenraum 18 der Ventilkammer 10, wenn der in die obere Steuerkammer 7 ausströ­ mende Ölstrom unmittelbar in der Nähe der zum Innenraum 18 der Ventilkammer 10 weisenden Mündung 23 der Drosselbohrung 19 ein­ geschnürt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, die Drossel­ bohrung 20 derart angeordnet ist, daß sie in einer Ebene liegt, welche die Mündung 23 der Drosselbohrung 19 tangiert, das heißt also wenn die Drosselbohrung 20 möglichst nahe an der den Innen­ raum 18 gegenüber der oberen Steuerkammer 7 abschließenden Wan­ dung liegt, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Ventilkammer 10. Der prinzipielle Aufbau der Kammer gleicht dem oben beschriebe­ nen mit dem Unterschied, daß der Innenraum 18 als - hier schei­ benförmig angenommene - Wirbelkammer ausgebildet ist. Gleiche Teile sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In den Fig. 3a und 3b ist eine Ventilkammer 10 jeweils im Längs- und Querschnitt mit dem aus der oberen Steuerkammer 7 ungehindert in die untere Steuerkammer 8 strömenden Öl (21) gezeigt. Der Ölstrom 21 gelangt durch die mittig in der Wandung der Wirbelkammer 18 angeordnete Drosselbohrung 19 und die Wir­ belkammer 18 selbst in die Drosselbohrung 20 und von dort in die untere Steuerkammer 8. Wie aus der Figur zu sehen ist, wird dabei kein großer Wirbel aufgebaut, so daß der Ölstrom ohne besondere Verluste schnell erfolgen kann.

Der in den Fig. 3c und 3d gezeigte Fall mit einem Ölstrom 22 in umgekehrter Richtung von der unteren Steuerkammer 8 in die obere Steuerkammer 7 unterscheidet sich dadurch von dem in den Fig. 3a und 3b gezeigten, daß der durch die tangential in die Wirbelkammer 18 mündende Drosselbohrung 20 gelangende Öl­ strom 22 in der Kammer in der gezeigten Weise verwirbelt wird, bevor er durch die mittige Drosselbohrung 19 in die obere Steu­ erkammer 7 gelangen kann. Der Aufbau dieses Wirbels hat einen Druckverlust zur Folge, welcher den gewünschten Drosseleffekt hervorruft.

Es ist hierbei auch denkbar, daß mehrere in die Wirbelkammer 18 mündende Drosselbohrungen 20 der beschriebenen Art vorgesehen sind. Wichtig dabei ist jedoch, daß alle diese Drosselbohrungen tangential in die Wirbelkammer 18 münden und zwar in der Weise, daß sie einen gleichsinnig drehenden Wirbel erzeugen.

Fig. 4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform für die Ventilkammer 10 mit besonders einfachem Aufbau. Die zwischen der oberen (7) und der unteren (8) Steuerkammer angeordnete Ventilkammer weist eine Drosselbohrung 19 und eine Drosselboh­ rung 20 auf, die ineinander übergehen. Die ungehinderte Strö­ mungsmöglichkeit für den Ölstrom 21 von der oberen in die unte­ re Steuerkammer wird durch die strömungsgünstig geformte Mün­ dung 24 der Drosselbohrung 19 zur oberen Steuerkanmer 7 hin erzielt, während der gewünschte Drosseleffekt für den Ölstrom 22 in umgekehrter Richtung durch die scharfkantige Ausgestal­ tung der Mündung 25 der Drosselbohrung 20 zur unteren Steuer­ kammer 8 hin und den dadurch hervorgerufenen Druckverlust beim Einströmen des Öls in die Bohrung 20 erreicht wird.

Diese strömungsbeeinflussende Ausbildung der Mündungen 24 bzw. 25 kann selbstverständlich auch zusätzlich in Verbindung mit den vorher beschriebenen Ausführungen der Ventilkammer 10 gemäß den Fig. 2 und 3 zur Verbesserung des Drosseleffektes einge­ setzt werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ventilkammer eines Kolbens mit veränderlicher Kompressionshöhe können die erfor­ derlichen hydraulischen Eigenschaften der Ventileinrichtung unter Einsatz einfacher Mittel ohne bewegliche Teile und damit billig und unanfällig gegen Störungen erzielt werden.

Bei langsam laufenden Brennkraftmaschinen hat es sich gezeigt, daß auf eine besondere Ausgestaltung der Mündungen 24 bzw. 25 verzichtet werden kann und dennoch der erwünschte Drosseleffekt alleine durch die Drosselbohrung 19 bzw. 20 erzielt werden kann. Dieser Effekt wird dadurch erreicht, daß die Ventilkammer 10 mit der ersten Drosselbohrung 19 und der zweiten Drosselboh­ rung 20 zu einer einzigen Drosselbohrung zusammenfällt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Steuerung des Ölflusses zwischen zwei Steu­ erkammern eines Kolbens mit veränderlicher Kompressionshöhe, mit einem Außenkolbenteil und einem gegenüber diesem axial ver­ schiebbar geführten, an einer Pleuelstange angelenkten Innen­ kolbenteil, zwischen denen axial gegenüberliegend und durch den Innenkolbenteil getrennt, die beiden Steuerkammern gebildet sind, deren Volumina reziprok zueinander veränderbar sind, wo­ bei die erste Steuerkammer zwischen einer ersten Fläche des Innenkolbenteils und einer dem Kolbenboden zugewandten Fläche des Außenkolbenteils und die zweite Steuerkammer zwischen einer zweiten Fläche des Innenkolbenteils und einer dem Schaft des Außenkolbenteils zugewandten Fläche angeordnet ist,
mit einer ersten Ölbohrung im Innenkolbenteil, welche die erste Steuerkammer mit einer Ölzuführung verbindet und ein Rückschlag­ ventil enthält, welches in Richtung zur ersten Steuerkammer öffnet,
mit einer zweiten Ölbohrung im Innenkolbenteil, welche die er­ ste Steuerkammer mit dem Kurbelgehäuse verbindet und ein in Richtung zum Kurbelgehäuse öffnendes Druckbegrenzungsventil enthält,
und einer Einrichtung im Innenkolbenteil zur Steuerung des Öl­ flusses zwischen den beiden Steuerkammern, die mit einer drit­ ten Drosselbohrung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem eine hohle Ventilkammer (10) bil­ denden Element besteht, welches mit der ersten (7) und zweiten (8) Steuerkammer mit jeweils einer ersten bzw. zweiten Drossel­ bohrung (19, 20) verbunden ist, wobei die Drosselbohrungen rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind und die Mündung der Drosselbohrung (20), welche die Ventilkammer (10) mit der zwei­ ten Steuerkammer (8) verbindet, tangential in die Ventilkammer eintritt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ventilkammer (10) mit der ersten Steuerkammer (7) verbindende Ölbohrung (19) etwa mittig in der Ventilkammer (10) angeordnet ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Drosselbohrungen vorgesehen sind, von denen wenigstens eine tangential in die Ventilkammer (10) mündet.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlauf (25) der zweiten Drosselbohrung (20) in die zweite Steuerkammer (8) scharfkantig und der Einlauf (24) der ersten Drosselbohrung (19) zur ersten Steuerkammer (7) hin in strömungsgünstiger Weise ausgebildet ist.